（光学工程专业论文）水下激光强度层析测量装置关键技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 水下激光强度层析测量装置基于光学层析技术，通过检测水体的光学后 向散射来实现水质测量和水下探测。该装置利用了伪随机r n 序列自相关特性， 测量精度高、最大无模糊距离远，是测量体制中重要的发展方向之一。本文 主要研究实验性伪码测量装置的设计和实现方法，其中包括伪码序列和伪码 调相信号的产生、发射与接收，以及伪码的相关检测等。 在确定以f p g a 和d s p 开发技术为基础的情况下，利用a d c 和d a c 作为数字模拟信号转换芯片，以及其他各种数字设计技术，设计出一个伪码 测量装置的硬件平台。使用f p g a 技术在m a x p l u s i i 编译环境下将各个模块 用v h d l 硬件描述语言予以实现，并使用d s p 技术实时控制参考信号的频 率及相位。通过回波信号相对于参考信号的相关值的大小来测量水体信息。 在伪码相关检测的设计过程中，详细分析了数字相关器的实现原理和实 现结构，并给出了用f p g a 技术实现数字相关器的设计方法。 通过在验证电路板上的多次实验，证明了此测量装置的可行性，为方案 的进一步改进及应用提供参考。 关键词：f p g a ；d s p ；伪随机码；相关检测；d d s 哈尔滨1 二稗大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea u t o c o r r e l a f i o nf u n c t i o no ft h ep s e u d o r a n d o mc o d ei ss i m i l a rt ot h a to f t h ew h i t en o i s e ，w h i c hh a st h er a n d o m i c i t y t h ep s e u d o r a n d o mc o d ep h a s e m o d u l m i o ns y s t e mj u s tw o r k so nt h eb a s i so ft h i sc h a r a c t e r i s t i c t h es y s t e m , h a v i n g e x c e l l e n t p r e c i s i o np e r f o r m a n c e a n dm a x i m a l n o n - f u z z y d i s t a n c e c a p a b i l i t y , i so n eo ft h ei m p o r t a n td i r e c t i o n so f t h em e a s u r e m e n t t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f t h es y s t e mi ss t u d i e da n dd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h eg e n e r a t i o no f p s e u d o r a n d o mc o d ea n d i t sp h a s e m o d u l a t i o ns i g n a l ，t h et r a n s m i t t e ro f r e c e i v e ro f s i g n a l ，t h ec o r r e l a t i o nd e t e c t i o no f p s e u d o - r a n d o mc o d e ，e t c t h i st h e s i sf o c u s e do nt h ed e s i g no fd i g i t a lp s e u d o r a n d o ms y s t e ma n di t s h a r d w a r ep l a t f o r m t h ea r c h i t e c t u r eo ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mc o n s i s t so fd s p 。 f p g a 。a d c ，d a ca n de t c a n da l lo fm o d u l ew i l lb ei m p l e m e n t e dw i t hv h d l ， s i m u l a t e da n dv e r i f i e di nq u a r t u si d e v e l o p m e n te n v i r o n m e m m e a s u r e st h e p h a s ec o n t r a s to ft h eo r i g i n a ls i g n a la n dt h er e b i r t h e ds i g n a lt og e tt h er e a l i t y d a t a a n dt h ef r e q u e n c ya n dp h a s eo ft h eo r i g i n a ls i g n a li sr e a l - t i m ec o n t r o l l e db y d s p i nt h ep r o c e s s i n go ft h ec o r r e l a t i o nd e t e c t i o n , t h ei m p l e m e n t a t i o np r i n e i p l e a n ds t r u c t u r eo fd i g i t a lc o r r e l a t o ri sa n a l y z e di nd e t a i la n dt h ed i g i t a le o r r e l a t o ro f s t r u c t u r ei sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db yf p g a t h er e s u l t ss h o wt h i se n r r e l a t o r h o l d st h ee x c e l l e n tw o r k i n gp e r f o r m a n c e f i n a l l y ，ap r o j e c to fd i g i t a lp s e u d o r a n d o ms y s t e mi sd e s i g n e da n d v e r i f i e do n t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，w h i c hi ss p e c i a l l yd e s i g n e d k e y w o r d s ：f p g a ；d s p ；p s e u d o r a n d o m ；c o r r e l a t i o nd e t e c t i o n ；d d s 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 ， 1 1 1 水下激光测量的背景 在1 9 6 3 年s a s u l i i v 强和s q d u n t e l y 等人发现在海水中也存在一个类 似于大气的透光窗口，海水对4 7 0 - - 5 8 0 纳米之间波长范围内的蓝绿光的衰减 系数较小，因其对海水的极佳穿透能力而引起了人们的高度重视。美、英、 法等发达国家非常重视用蓝绿激光迸行水下搜索、探测、通讯、海底地貌的 测绘及其他的科学实验f l - 7 。 在海军装备中蓝绿激光的应用主要在机载激光测深技术方面，简称“测 深l i d a r ”早在1 9 6 7 年，美国人就完成了世界第一个蓝绿激光测深装置 - i i d a c s 1 水下探测装置，该装置可用于探测和搜索海底沉船、测绘海图 等。此后，又推出了机载脉冲激光测深仪( p l a d s ) ，并进行了机载试验。在 8 0 年代初期，又报道了具有扫描能力和高速数据记录率的机载海洋水文雷达 a o l 。其他国家如加拿大、澳大利亚、俄罗斯、瑞典，法国等都有大量研究 成果并部分行成装备。另外，“蓝绿激光水下传感装置”及“海基光控武器系 统”也备受重视，有些正在进行概念研究，有些已逐渐开始装备军队。 我国也在2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代开展了蓝绿激光的水下特性研究及蓝 绿光l i d a r 系统研究，蓝绿水下通信研究，在“8 6 3 ”计划中也明确制定了 机载激光测深技术的研究目标，华中理工大学对蓝绿光l i d a r 系统的研究比 较丰富，进行了航测试验，取得了大量结果。 1 1 2 层析测量技术简介 层析测量技术，例如x 光层析、核磁共振成像、超声波成像等，已经在 医学中得到广泛的应用。这其中的每一种技术所检测的是不同的物理属性， 并且在各自的应用领域里具有分辨率和探测范围等优势。本文基于光学层析 技术，通过测量水体内部结构的光学后向散射来实现对其非入侵式的横截面 成像。一束穿过水体或者从水体散射回来的光包含了水体的时域信息，对该 光的载波电信号进行调理后，能够使该信息被转换为相应的水体微结构信息。 哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 由于水体后向散射光极其微弱，本文采用伪码相关检测的方法将其从噪 声中提取出来，并进行调理、分析。 l1 1 3 软件无线电概念 软件无线电的提出与产生是当今现代计算机与微电子技术发展的必然产 物，其基本思想就是将硬件作为其通用的基本平台，把尽可能多的功能用软 件来实现，从而将无线通信系统的开发逐步转移到软件上来。其最终目的是 使通信系统摆脱硬件布线结构的束缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下， 通过软件来实现各种功能，使得系统的改进和升级都非常方便、代价小，不 同系统间也很容易互连与兼容。软件无线电是一种基于宽带a d 、d a 器件、 高速d s p 芯片、以软件为核心的崭新体系结构【8 l 。 1 1 4 伪码测量的优越性 伪码是伪随机码的简称，它具有良好的“随机性”，它的自相关函数接 近于白噪声的相关函数( 6 函数) ，即有窄的相关峰和宽的功率谱密度，使它易 于从其它信号或干扰中分离出来。其“伪随机性”表现在具有一定的规律性， 预先可确定性和重复性，使它易于实现相关接收，故有良好的抗干扰性能， 同时还解决了抗干扰性与提高灵敏度之间的矛盾。具体来说伪码测量体制具 有如下的优越性【9 】： ( 1 ) 测距测速精度高，同时具有良好的距离和速度分辨能力。精度不受 距离远近的影响，只取决于伪码的比特速率，比特速率越高，相应的测距定 距精度就越高，测量性能越好。 ( 2 ) 具有很强的抗干扰能力。难于侦察到调制参数，难于实现回答式或 瞄准式的有源干扰。对地面和海浪杂波以及其它有源干扰信号有极强的抗干 扰能力。当这些杂波干扰信号比回波信号大几千倍时，也能把目标信号提取 出来。 ( 3 ) 伪码体制是噪声体制的一种数字模拟实现方案，其信号本身及其延 迟样本皆可用数字逻辑电路产生，实现起来比较容易。 对连续波进行伪码调相是一种理想的体制，它既能克服一般系统存在的 距离选择性不够好，鉴别力差的缺点，又能解决由于随机序列元素是随机的， 系统接收端不可能产生一个随机信号与发端信号完全一致的矛盾。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 本课题的研究意义 水下激光强度层析测量装置基于光学层析技术，通过检测水体的光学后 向散射来实现水质测量和水下探测。 本文利用蓝绿激光的后向散射效应为强度层析测量装置提供新技术方 案。其中，要解决的关键问题是对被水体散射后的微弱光信号的探测，以及 如何提取有用信号。针对水下信号衰减严重的特点，将采用伪码信号相关检 测技术对微弱信号进行探测、处理。通过声光调制器将伪码信号调制到激光 器上，依靠蓝绿透光“窗口”实现水下光传输，并通过光敏器件接收背向散 射光。解调后得到相位被延时的伪码信号，对其处理、分析，即可了解水下 的强度层析。 本文利用软件无线电思想，基于f p g a 和d s p 等硬件电路，重点实现伪 码测量装置算法的验证。 1 3 本课题的研究目标 本论文主要以水下激光强度层析测量装置为研究对象，重点介绍在满足 测量装置的要求下，基于a l t e r a 公司的f p g a 技术和t i 公司的d s p 技术 开发测量装置硬件调试电路，同时在f p g a 和d s p 中实现伪码测量装置的算 法流程，重点研究伪码测量装置中各个功能模块的具体实现过程，最后通过 一系列实验过程验证该测量装置的功能及实际功用效果。 具体由以下章节分别讨论： 第一章，首先对伪码测量的背景做简单介绍，并且介绍伪码测量的方法 和软件无线电技术的概念及发展概况。 第二章，主要研究用于伪码测量的伪随机码调相信号的特性。 第三章，研究如何按照测量仪的要求设计一个硬件系统。 第四章，研究如何按照伪码测量装置的体系结构原理，基于f p g a 和d s p 软件设计各个详细功能模块。 第五章，给出各个实验结果以论证测量装置的功能实现。 第六章，对本文工作做了一个总结，同时对下一步的工作做了展望。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章伪码测量装置的原理 2 1 伪码序列的特- 陛及产生方法 j 2 1 1 伪随机码的特性 伪随机码的性能直接决定了测量装置的性能，一般来说用于测量的伪随 机码应该满足如下的要求【l o - l2 】： ( 1 ) 为了避免距离模糊，测量码的长度必须大于产生回码的时延为f 的距 离，t 是电磁波由发射机到目标之间的往返时间； ( 2 ) 测量码的比特速率要足够高，以满足测量精度的要求； ( 3 ) 对于相关检测来说，测量码的自相关函数最好是两电平的：当序列 与本身比较时，具有最大相关值输出，而与其移位序列或其它的序列比较时， 具有很小的相关值输出； ( 4 ) 获取相关函数峰值所需的时间，即测量码捕获时间，应尽可能的短， 以满足测量装置的战术技术要求； ( 5 ) 测量码尽量具有较大的线性复杂度，不易截获； ( 6 ) 伪码发生器的结构要简单，易于实现，序列选择容易。 以上这些要求，只是选择测量码的基本原则，其中有些要求是相互制约 的，因此，在设计选取时应根据实际情况加以折衷考虑。通常使用的测量码 有m 序列、g o l d 序列、b e n t 序列、复合伪随机码等。它们都具有非常好的 自相关特性，其中m 序列最易产生，在单用户测量系统中广泛应用。g o l d 序列，b e n t 序列是广义的伪随机码，通常用于多用户测量系统。复合码自相 关函数的副瓣峰可以大大加快检测和跟踪的速度，多用于要求实现快捕的深 空测量系统中。伪码调相系统是一个单用户的测量系统，选用m 序列作为测 量码比较合适。 2 1 2 伪随机码的产生 伪随机序列一般由移位寄存器网络产生。该网络由：，级串联的双态器 件、移位脉冲产生器和模2 加法器组成，图2 1 为4 级移位寄存器，下面以 此为例，说明伪随机序列的产生。 4 哈尔滨工稃大学硕士学付论文 图2 i 四级移位寄存器 首先规定移位寄存器的状态是各级从右至左的顺序排列而成的序列。不 同长度的m 序列由不同的线性反馈结构决定，可以用n 次本原多项式进行表 示： ，( x ) = c , x 7 ( 2 1 ) 式中：h 移位寄存器级数 g 第i 级的反馈系数，取值为1 或0 表2 1 为部分本原多项式系数，其中的整数表示反馈系数为l 的级数。 表2 1 部分本原多项式系数 n 3 4567 f ( x ) 3 1 04 3 05 2 o6 1 07 3 o n891 0 1 l 1 2 f ( x ) 8 4 3 2 09 4 01 0 t 3 o1 1 2 o1 2 6 4 1 0 此外，产生相同长度m 序列的反馈结构也不是唯一的，由所对应的不同 本原多项式决定。当n - - - 4 时，目纠的本原多项式系数为4 ，3 ，0 。图2 1 的反 馈逻辑为： a n _ 1 = a h 一3 a n 一4 ( 2 - 2 ) 对于初始状态为1 0 0 0 的m 序列，经过一个时钟节拍后，各级状态自左 向右移到下一级，末级输出一位数，与此同时模2 加法器输出加到移位寄存 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 器第一级，从而形成移位寄存器的新状态，下一个时钟节拍到来又继续上述 过程。末级输出序列就是伪随机序列，图2 i 产生的伪随机序列是一个周期 为1 5 的伪码序列 扣“j = 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 ( 2 3 ) 不难验证，如果它的初始状态是一个任意非0 状态，那么它的输出就是 h 一。) 向左或向右移多少位后得到的同一周期的位移序列。例如当初始状态为 0 0 0 1 时，它的输出序列 一4 j = 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 ( 2 - 4 ) 是式( 2 3 ) 左移一位并去掉第一位后得到的移位系列。本文所用到的正是 此序列。易于观察到，胛位移位寄存器总共可能有2 栉种状态，经分析知，除 了一个零状态外，还有2 n - 1 种状态，每一种状态的周期可能不一样，其中周 期最长的是2 1 ，这样的序列叫最大长度序列或者m 序列。 2 2m 序列介绍 2 2 1n l 序列的特性 m 序列具有许多优良的特性，尤其是它的自相关特性，是最常用的扩谱 码序列，也是精确测距定距系统中经常采用的一种码序列。m 序列具有如下 的一些特性： ( 1 ) 平衡性或随机性：在m 序列的一个周期中，0 和1 的数目基本相等， 1 比0 的个数多一个，且1 的个数为2 r - ! ，0 的个数为2 r - i 1 。这样由m 序列 调制的信号的直流分量就非常小。 ( 2 ) 移位可加性：某个m 序列与其经任意延迟移位后的序列模2 相加后， 得到的仍是该序列某次延迟移位后的序列。 ( 3 ) 游程特性：游程，序列中取值相同的相继元素称为一个“游程”。 游程长度，游程中元素的个数。m 序列中，长度为1 的游程占总游程数的一 半：长度为2 的游程占总游程的1 4 ，长度为k 的游程占总游程数的2 - k 。且 在长度为k 的游程中，连0 与连1 的游程数各占一半。另外，还有一个长度 为，的l 游程和一个长度为，- l 的0 游程。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 预先可确定性：m 序列是由移位寄存器的初始状态和反馈网络唯一 确定的。 ( 5 ) m 序列的相关函数是周期的且具有双值特性：其归一化自相关函数是 ，m ：h 7 = o ( 模( 2 7 1 ) i“f ) 2 - i pf o 菡2 r 一磊( 2 - 5 ) 2 2 2n l 序列的自相关函数和功率谱 通过对矩形脉冲的不断移位，用取值为+ l 或1 的n l 序列元素加权，可 得到n l 序列信号表示形式为： 。一l f 一之 一f z o i n t c 所( ，) = r e c t ( l 百一( o ( 2 6 ) 式中，印甜( f 死) ；j 1 f q t c 1 0其它 其中t 为码元宽度，n 为码字长度。周期长度为n t c 的m 序列信号聊例，它 的自相关函数的可以表示为： 钟) = 志篓脚( 所( m r ) ( 2 - 7 ) 由此式可得m 序列信号的自相关函数为： r m ( r ) = l 一业l 二= 蚓o s 卜i n t c i s 死，扎1 2 ni t c i 。 ( 2 - 8 ) 一万1 其他 显然，m 序列信号的自相关函数是双电平的，最大值为1 ，最小值为- 1 n 。 其自相关函数波形如图2 2 所示。 从图2 2 中可以得出： ( 1 ) 伪码的自相关函数可以看成是高度为口1 ) n 的周期三角脉冲列减去 一个幅度为1 n 的直流分量。随着码元宽度的减小，自相关函数波形越接近 7 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 于6 函数波形，码元宽度越小，波形越尖锐，定距精度也就越高。 八j卜n 图2 2m 序列自相关函数 ( 2 ) 周期越长，定距的距离也就越远。在反射功率一定的情况下，要 提高系统的距离分辨率，可将死做的很小，同时将相应的增大，这对线 性移位寄存器来说是比较容易的。 ( 3 ) 当目标反射延迟码与相关延迟码相对应时，相关曲线出现峰值，当 目标回波信号延时与相关码延时有差别时，相关器输出降至1 ，可以通过 滤波器来消除。因而相关器输出( 包括多普勒幅值) 大大降低了。这就是此种 体制的引信所以能提高抗干扰能力和提高检测灵敏度的关键。 m 序列的相关函数也可以改写为： r ( f ) = 1 一( 1 + 矽1 瓦t 一万1 c + 寺去一 o f 死 乃 _ t c 时，r 何有最大值4 4 ，。 可见，当参考信号与回波信号完全同步时，即时延r = o 时，相关器有最 大幅值输出。 2 3 4b p s k 信号的功率谱密度 令2 , = f o = 0 1 0 ，则 胄( f ) ：a t - 乒r 。( f ) 【c o s 2 , , f 0 2 f c o s 2 n f o f + s i n 2 x f 0 2 t s i n 2 n f o t + t 7 , o s 2 x f o f 】 ( 2 1 9 ) 功率谱密度和自相关函数是一对傅立叶变换，经傅立叶变换后可得到 y = 丁a t a , 磊1 妒( 厂) ( c 。s 2 , = f 0 2 f + 1 ) ( j ( ，+ f o ) + 8 ( f f o ) ) + s i n 2 x f 0 2 t x ，( 艿( 厂+ f o ) 一8 ( f 一兀) ) 】 = a i r a , i 1 【( 伊( + f o ) + 伊( ，一厶) ) ( c 。s 2 矾2 r + 1 ) + _ ，( 伊( 厂+ f o ) 一伊( 厂一f o ) ) s i n 2 7 z f 0 2 t 】( 2 2 0 ) 其中，矿r 厂，为m 序列脚彬的功率谱密度 町，= 等l 铡2 参u 一去砖彻 2 4 相关检测器 相关检测技术已发展成为微弱信号检测的有力工具。所谓相关就是指两 个时间函数的信号在任何时刻具有一个信号总是以某种方式依赖于另一个信 号的关系。相关处理可以检测两个变化信号之间的相似性，即通过对信号的 延时移动后把相似的部分增强起来，而把不相似的部分通过平均压低了。因 此，从时域上说，它是一种移动平均技术；从频域上说，相关检测等效于匹 配滤波器。相关技术是以信息论和随机过程作为它的理论基础的。它具备了 许多独特的特点，因而在信号处理的许多领域得到了广泛的应用。它的特点 主要有 1 4 t 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 ( 1 ) 对待测信号与噪声进行识别处理，将信号检出； ( 2 ) 有估计延时的能力； ( 3 ) 具有在信号中识别特定模式的能力： ( 4 ) 信号的自相关函数与功率谱是一对付里叶变换对，因此可以用谱分 析的方法对其进行处理： ( 5 ) 相关处理可提取许多信号的特征，因而可用于预测与估值的算法中。 相关技术的实现。具体体现在测量相关函数的相关器上，相关函数可以 看成是随机过程或波形的“相似性”的一种度量，对于满足遍历性条件的平 稳随机过程，计算它们的相关函数时，可以用一个时间平均来代替概率平均。 相关函数的模拟定义式为： 1t 瓜( f ) = i x ( t ) x ( t + r ) a t ( 2 - 2 2 ) 相关函数的离散定义式为： e , x ( i a ) = 专薹工( 怂l x + 七) ) f = 。，1 ，2 “m ( 2 2 3 ) 对相关函数的计算，主要是通过乘法器，积分器( 累加器) 为核心部件来 实现。 2 4 1 模拟式相关器 利用式( 2 2 2 ) 来计算信号相关函数的方法，多采用模拟电路实现。它的原 理如图2 9 所示。一般来讲，模拟技术( 乘法器，积分器) 的精度较差，其误差 主要来源于器件本身的误差，但是用模拟式的方法实现相关，其作用原理简 单，设计方便，容易实现，因此在一定的场合有其特定的使用价值。尤其是 现代科学技术的发展，推动模拟乘法器的性能有了长足的进步，现在已经有 了高精度，大带宽，低漂移的各种模拟乘法器，为模拟式相关器的应用，提 供了有利的保证。由于受数字技术发展的局限，数字技术还不能完全代替模 拟技术，特别是在较高频率的工作环境下，由于取样受器件水平的限制，运 用数字技术，还不能很好的完成相关运算，只能借助模拟器件，完成相关检 测的功能。 1 4 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 图2 9 模拟式相关器的模型 2 4 2 数字式相关器 数字式相关器是利用式( 2 - 2 3 ) 来计算相关函数的，式中为观察时间内 的取样点数。一种可能的实现方案如图2 1 0 所示。 图2 1 0 数字式相关器的模型 数字式相关器，包含了大量的乘法和加法运算，如要求出所有观察时间 的相关值，则要做n n 次加法和乘法。因此，如果要进行实时运算，对乘 法器和加法器的运算速度要求都相当高。为了降低对运算速度的要求，若采 用舍弃样点和减少量化的比特数，必然会带来一些误差。其中，减少量化比 特数引起的误差不是很大，但它却可使运算逻辑大大简化，从而可以提高运 算的速度。而舍弃样点引起的误差，例如取信号的奈奎斯特抽样周期，其相 邻的样点是互相独立的，故舍弃的样点均为有用信息，如果测量时间有限， 随机误差必然会大大增加。 2 5 伪码测量装置的工作流程 伪码测量装置的原理框图如图2 1 1 所示。图中，控制单元可以是d s p 、 单片机或其他计算机系统，将控制信号传送给伪随机信号发生及同步处理单 元，伪随机信号发生及同步处理单元在可编程逻辑芯片( f p g a 、c p l d ) 中 实现。 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 图2 1 l 测量装置原理框图 如图2 1 2 所示，可编程逻辑芯片的控制口用来接收控制单元的控制信号， 伪码发生单元i 根据控制信号生成伪随机序列，伪随机序列经过d ，a 单元进 行数模转换、滤波，产生一个调制了伪随机信息的正弦信号& ，正弦信号 最根据伪随机码的0 、1 取值作相应的相位调整，每个码片由一个或多个周期 的正弦信号组成，其频率不低于l z ，此信号被送给光学伪码发射装置； 相位调整单元根据控制端口的控制信号，产生一个相位控制命令，控制伪码 发生单元i i ，使其产生一个本地伪码信号，只有相位与伪码发生单元i 产生的伪码不同：将本地信号& 送入乘法器，与来自a d 转换器的信号相乘， 并与乘法器后端的累加器共同实现相关运算，再将运算结果送回到控制单元。 a 皿启动同步信号一柚采样数据一 图2 1 2 伪随机信号发生及同步处理单元原理框图 2 6 本章小结 在本章中首先介绍了伪码序列的特性及产生方法，并引出伪码序列的一 种特例m 序列，并给出m 序列调相信号的一些特性曲线，最后提出数字相关 1 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 器的物理模型。这些为本文的伪码测量装置提供了理论依据。最后确定了伪 码测量装置的工作流程。 1 7 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 第3 章伪码测量装置的硬件设计 本章主要介绍本装置硬件电路的设计。首先，对f p g a 和d s p 的设计开 发作一个简单介绍；其次介绍在本系统中所用到的r o m 模块，f l a s h 模块， a d c 模块和d a c 模块的设计实现。电路功能的简要说明如下： ( 1 ) p c 机通过专用下载电缆，与板上1 0 针j t a g 插头连接，实现对f p g a 的现场可编程。串行r o m 通过b y t e b l a s t e r l i 进行配置，实现f p g a 重新上 电后程序的加载。 ( 2 ) p c 对d s p 的编程是通过板上的1 0 针j t a g 插头。d s p 数据总线和 地址总线都与f l a s h 相连，用来实现上电自举加载程序。 ( 3 ) 晶振为d s p 提供正常工作需要的1 0 m h z 时钟源。同时另一有源晶振 为f p g a 提供2 0 m h z 的内部时钟。 ( 4 ) d s p 的m c b s p 0 通过电压转换芯片m a x 2 3 2 ，与p c 机的r s 2 3 2 串 口相连，实现对上位机通信。 ( 5 ) d a 和a d 均为8 位，d a 从f p g a 取数据进行处理，而a d 则将 处理后的数据送回f p g a 。实现软件无线电发射天线与接收天线的数模转换。 按照以上要求，设计的电路框图如图3 1 所示。 图3 1 硬件电路原理框图 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该系统主要有f p g a 及配套外围电路、d s p 及配套外围电路、a d 转换 电路和d a 转换电路等组成，以下将分别对各个部分进行介绍。 3 1 基于f p g a 硬件设计 3 1 1f p 6 a 的供电 a c e x l k 系列f p g a 的工作电源分为内核电源和i o 电源两部分。内核 电源用于f p g a 的逻辑宏单元( l o g i ce l e m e n t ) ，e a b 等内部部件的供电，其 电压y r c c m 限制为2 5 v 。i 0 电源用于f p g a 的i ，0 单元( i o e ) 的供电，其电压 可以是2 5 v ，3 3 v 两种。在不同的电压下对于外部接口器件的i o 电压有着不同的兼容性。本文f p g a 的i o 电压c 船设为3 3 v ，内核电压 设为2 5 v b s i 。 3 1 2f p g a 的配置芯片 图3 2 f p o a # 围电路及外配置芯片的电路 在器件操作过程中，a c e x i k 系列器件的配置数据存储在s r a m 单元 中，由于s r a m 的易失性，配置数据在每次上电时必须被重新载入s r a m 。 1 9 哈尔滨_ t 程大学硕十学位论文 a l t e r a 公司的专用配置芯片e p c 2 能够在系统上电时直接产生p s 时序信号， 这样可实现上电自动配置f p g a 的功能，使得程序调试更加方便快捷，不需 要每次都从下载线下载程序到f p g a 。e p c 2 可多次写入，当需要下载新数据 时不需事先擦除器件中原有数据，只需将新数据直接写入即可。f p g a 外围 电路及配置芯片的电路如图3 2 。图中，e p l k 3 0 t c l 4 4 3 型f p g a 与配置芯 片e p c 2 l c 2 0 之间连接为p s 方式，而e p c 2 l c 2 0 与b y t e b l a s t e r1 0 针 接头的f j t a g 之间连接为j t a g 方式；有源晶振f s o c 为f p g a 提供2 0 m 的时钟输入；指示灯l e d 3 指示f p g a 的工作状态。上电后，e p c 2 l c 2 0 将 预先烧录的数据传送至f p g a ，f p g a 加载完成后将与l e d 3 连接的引脚置低， 此时l e d 3 点亮表示f p g a 加载成功 1 6 - 1 7 。 3 2 基于d s p 硬件设计 3 2 1t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片特点 本文采用的是t 1 5 0 0 0 系列中的定点数字信号处理器1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ， 它是t ic 5 0 0 0 系列中的常用的有代表性的芯片之一。1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 因其 图3 3d s p ，b 围硬件电路框图 哈尔滨工程大学硕七学位论文 极高的速度、极其丰富的片上资源和极强的外扩能力，在各种需要高速数据 处理，协调系统运转，进行实时控制的电子系统中有很强的适用能力 1 8 - 2 q 。 3 2 2t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 外围硬件电路 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 外围硬件电路设计包括d s p 的电源电路，d s p 同a d 的数字接口，d s p 同r s 2 3 2 的接口，d s p 同外部数据存储器f l a s h 的接口 以及由d s p 发出控制信号。整体外围硬件电路框图如图3 3 所示。 ( 1 ) d s p 的供电：v c 5 4 0 2d s p 芯片的电源和地线引脚c v d d ，c v s s ， d v d d ，d v s s 共3 2 只。其中c v d d 为d s p 内核供电引脚，供电电压要求为 1 8 伏：d v d d 为d s p 片内设备供电引脚，供电为3 3 伏；c v s s ，d v s s 引脚 为地线引脚，接数字地。 ( 2 ) 时钟输入：给d s p 芯片提供时钟一般有两种方法。一种是将管脚x 1 和x 2 c l k i n 之间连接一个1 0 m h z 晶体来启动内部振荡器，如图3 4 所示另 一种方法是采用封装好的有源晶体振荡器，将外部时钟源直接输入到x 2 c l k i n 管脚，x 1 悬空，如图3 5 所示。 图3 4 晶体 t c k 1 m s o s c 图3 5 有源晶振 d 订 g 图3 6v c 5 4 0 2 的j t a g g i 脚 有源晶体振荡器的引脚n c ，v e e ，c l k o u t ，g n d 按顺时针方向排列。 2 1 一黧 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 ( 3 ) j t a g 仿真接口：v c 5 4 0 2 支持j t a g 仿真接口，只需把这个j t a g 接口与仿真器相连接，就可以在p c 机上利用c c s 软件对d s p 进行实时软 件调试。v c 5 4 0 2 的j t a g 引脚有7 只，与仿真器接口的连接方法如图3 6 所 示。 ( 4 ) 配置f l a s h ：由于d s p 内部r a m 有掉电易失性，因此我们需要一 个类似于f p g a 自动上电配置芯片的方案。而d s p 配套的f l a s h 芯片作为 程序存储器，就很好地为我们提供了一种解决方案，使得d s p 在上电后自动 复制f l a s h 内程序到内存并开始运行，这一过程称为b o o tl o a d e r ( 自举引 导) 。m p m c 管脚接地，程序运行于片内。若要配置f l a s h ，必须将m p m c 管脚拉高，控制输入引脚r e a d y ，h o l d 拉高。d s p 和f l a s h 的数据总 线( d o d 1 5 ) 、地址总线( a 0 a 1 5 ) 直接相连，如图3 7 所示。 d o - d 1 5d o - d 1 5 a 0 a 1 5 a 0 a 1 5 ，m s t r b 砖 舰 d s p f l a s h 嗍 o e d s，c e 图3 7d s p 同f l a s h 的硬件连接框图 ( 5 ) 9 b 部中断：v c 5 4 0 2 有4 个外部中断源i n t 0 - i n t 3 ，使用时拉低，弓 脚n m i 拉高。 图3 8 外部中断 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 6 ) d s p 的复位：v c 5 4 0 2 有一个复位引脚r s ，电源上电时，r s 为低使 芯片复位。对于上电后的正确系统操作，r s 至少保持低电平3 个c l k o u t 周期以确保数据、地址和控制总线被正确的设置，同时也会发生一系列其他 的操作，比如各种寄存器初始值的设置，如图3 9 。 f t l 6 0 l 匿 1 1 12 0 1 0 vc h 21 0 0 m c s o o g h d a l a v ：20 5 m $ 图3 9r s 保持3 个c l k o u t 周期的低电平 图中，c h l ：3 3 v 供电引脚，c h 2 ：r s 引脚。可以看出，r s 由低电平 到高电平的翻转是渐变的。图3 1 0 是该系统的一个简单的复位电路。 图3 1 0d s p 复位电路 r s 连接到v c 5 4 0 2 的r s 引脚，使用s n 7 4 l v c 0 4 做两次非逻辑运算， 起到整形作用。r 2 9 与c 8 调整r s 的低电平保持时间。 3 3 并口d a 转换电路设计 a d 9 7 0 8 是a n a l o g 公司生产的t x d a c 系列数模转换器。它是采用单 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 电源供电的低功耗电流输出型1 4 位并行高速数模转换器。a d 9 7 0 8 采用+ 3 v 或+ 5 v 单电源供电，两路电流输出，转换速率高达1 2 5 m h z ，建立时间不大 于3 5 n s ，转换精度为l 4 l s b 。在+ 5 v 电源供电的情况下，其功耗为1 7 5 m w ； 在+ 3 v 电源供电的情况下，其功耗为4 5 m w ，并且还具有省电工作模式，在 此模式下+ 5 v 电源供电时，其功耗仅为2 0 m w l 2 2 1 。 3 3 1a d 9 7 0 8 弓l 脚排列及功能 a d 9 7 0 8 弓1 脚如图3 11 。 t - m 图3 i1a d 9 7 0 8 ；i 脚图 当a d 9 7 0 8 被设置成8 位数据输入时，只要把管脚l 设为最高输入有效 数据位( m s b ) ，管脚8 设为最低输入有效数据位( l s b ) 即可。引脚 2 - 7 ( d b 6 d b l ) ：数据输入端；引脚1 5 ( s l e e p ) ：休眠控制端；引脚1 6 ( r e f l o ) ： 此引脚接参考地则内部1 2 v 参考电压启用，如果把此引脚接a v d d ，则内 部参考电压禁用；引脚1 7 ( r e f i o ) ：参考输入输出端。当r e f l o 接a v d d 时，r e f i o 作为参考输入端。当r e f l o 接a c o m 时，i 洹f i o 作为1 2 v 参 考输出端，此时需将其对a c o m 串接0 1 u f 电容；引脚1 8 ( f s a d j ) ：输出电 流调整端；引脚1 9 ( c o m p l ) ：噪声衰减模式设置端，最优设置为在此引脚与 模拟供电端串接o 1 u f 电容；引脚2 0 ( a c o m ) ；模拟共用端；引脚2 1 ( i o t r r a ) ： 电流输出端，当输入数据位全为0 时，输出电流最大；引脚2 2 ( i o t r r ) ：电流 输出端，当输入数据位全为1 对，输出电流为0 ；引脚2 3 ( c o m p 2 ) ：开关驱 动电路偏置控制，需将其对a c o m 串接0 1 u f 电容；引脚2 4 ( a v d d ) ：模拟 l l 一l l l l 篇；一 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 供电电压( + 2 7 - + 5 v ) ；引脚2 6 ( d c o m ) 数字共用端：引脚2 7 ( d v d d ) ：数字 供电电压( + 2 7 - + 5 v ) ；引脚2 8 ( c l o c k ) ：时钟输入端。数字输入定义如下： 当d v d d = 5 v 时，逻辑“0 ”的范围，最大1 3 v ，典型值0 v ：逻辑“l ” 的范围，最d , 3 5 v ，典型值5 v ； 当d v d d = 3 v 时，逻辑“0 ”的范围，最大0 9 v ，典型值o v ；逻辑“1 ” 的范围，最d , 2 1 v ，典型值3 v 。 对于f p g a 的i o 输出，逻辑“1 ”为3 3 v ，可见d v d d - - 3 v 时满足这个要 求。因此，本文采用3 v 供电，内部1 2 v 参考电压。 3 3 2a d 9 7 0 8 内部结构与功能 a d 9 7 0 8 的内部功能框图如图3 1 2 所示。 图3 1 2a d 9 7 0 8 的内部功能框图 a d 9 7 0 8 内部集成了+ 1 2 v 参考电压、运算控制放大器、电流源和锁存器。 a d 9 7 0 8 也可以用外部参考电压来工作，通过调整连接1 8 管脚的外接电阻 f t 艮c t ) 可使输出电流值在2 - 2 0 m a 范围内变化。两个电流输出端易啪和易w 口 成互补关系，当输入数据全为高时，易。的输出值为满值，而易啪输出为0 为了得到正负极性的电压输出，可以把两输出端易唧和易m 接成差模输出， 参考电路如图3 1 3 所示，输出电压即为： = ( i o 一厶m ) 吒 ( 3 - 1 ) y d j 口= ( 2 d a c c o d e 一1 6 3 8 3 ) 1 6 3 8 4 x ( 3 2 r w , d r s 日) xr r f o 3 - 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 1 3 带运放的直流差分耦合方式 易啪与易圻口之间的c o p r 为调电容，与附近的电阻网络构成低通滤波器。 3 3 3a d 9 7 0 8 时序 a d 9 7 0 8 必须在时钟的驱动下才能把输入数据存入片内的锁存器中，其 触发方式为沿触发( 上升沿触发) ，其时序图如图3 1 4 所示。 d 8 帅日f c l o c k o u l a o r o u t b ) 。( ) 。c | (燃 l 一- 一 尤 。l 一0 气m 叫一 o t i ，叫j 二 i 忑 图3 1 4a d 9 7 0 8 时序图 图中，输入建立时间i s = 2 0 n s ，输入保持时间f 矿1 5 n s ，时钟的脉冲宽度 。旷3 5 n s ，输出建立时间t s r - - 3 5 n s ，输出延迟时间= 1 0 n s 0 1 。 3 3 4a d 9 7 0 8 与f p